高速数据转换器设计

本书由Ahmed M.A. Ali博士，依据其在产业界一线的多年深入研究与产品设计开发成果编写。本书不仅覆盖了数据转换器（Data Converter）基本原理、整体架构、单元模块、性能参数等全面的基础理论，更重要的是，Ahmed M.A. Ali博士依托其主导开发的多款业界领先的数据转换器产品，着重介绍了当前适合高速数据转换的架构、电路设计细节与技巧、数字辅助设计等全面的考量因素，避免了传统教材重理论分析而轻产业化能力培养的短板。

本书依据作者在产业界一线的多年深入研究与产品设计开发成果而编写，不仅覆盖了数据转换器的基本原理、整体架构、单元模块、性能参数等全面的基础理论，而且依托其主导开发的多款业界领先的数据转换器产品，着重介绍了当前适合高速数据转换的架构、电路设计细节与技巧、数字辅助设计等全面考量因素，避免了传统教材重理论分析而轻产业化能力培养的短板。 本书共10章，主要内容包括：简介、性能指标、数据转换器结构、采样、比较器、放大器、流水线A/D转换器、时间交织转换器、数字辅助转换器、发展与趋势等，后附中英文术语对照。

孟桥，东南大学信息科学与工程学院教授/博导教育部电子电气基础课程教学指导委员会秘书长。多次获得过重量和部省级科技和教学奖，获得过江苏省教学名师奖、宝钢优秀教师、江苏省青蓝工程中青年学术带头人等荣誉。主编教材多次评为国家级规划教材。率领团队建设的课程先后获得重量精品课程、首届重量精品资源共享课程、首批重量精品在线开放课程等称号。

第1章 简介 1
1.1 理想数据转换器 1
1.2 采样操作 2
1.2.1 采样定理 6
1.2.2 带通信号的采样 6
1.3 信号的重构 7
1.4 量化 9
1.5 编码 13
1.6 欠采样和过采样 13
1.7 抽取和内插 14
1.8 结论 18
思考题 19
参考文献 19
第2章 性能指标 20
2.1 分辨率和采样率 21
2.2 信号与噪声失真比 21
2.3 无杂散动态范围 24
2.3.1 HD2与HD3 27
2.3.2 差分运算 28
2.4 互调失真 31
2.5 HD与IMD的关系 33
2.6 微分和积分非线性 36
2.7 SFDR和INL的关系 41
2.7.1 HD2和HD3 INL模式 41
2.7.2 锯齿状INL模式 47
2.8 失调和增益误差 49
2.9 抖动 49
2.9.1 分析 50
2.9.2 直观的理解 51
2.9.3 抖动测量 54
2.9.4 随机抖动的类型 54
2.9.5 抖动与相位噪声 55
2.10 误码率 56
2.11 功耗与品质因数 56
2.12 结论 59
思考题 59
参考文献 61
第3章 数据转换器结构 62
3.1 快闪ADC 63
3.2 带插值的快闪ADC 70
3.3 多步ADC 71
3.4 子范围ADC 72
3.5 折叠ADC 74
3.6 流水线ADC 77
3.7 逐次逼近ADC 79
3.8 流水线与SAR ADC 81
3.9 时间交织ADC 82
3.10 Σ-Δ ADC 83
3.10.1 过采样和噪声整形 84
3.10.2 单比特调制器 85
3.10.3 过载 86
3.10.4 一阶调制器 86
3.10.5 二阶调制器 88
3.10.6 更高阶与级联Σ-Δ调制器 89
3.10.7 离散时间和连续时间Σ-Δ调制器 92
3.10.8 多比特调制器 93
3.10.9 带通Σ-Δ转换器 93
3.10.10 结束语 93
3.11 DAC架构 93
3.11.1 电阻式DAC 94
3.11.2 电容式DAC 100
3.11.3 电流舵DAC 104
3.12 结论 107
思考题 107
参考文献 110
第4章 采样 112
4.1 CMOS 采样器 112
4.1.1 采样噪声 113
4.1.2 采样线性度 114
4.2 输入缓冲 125
4.2.1 输入缓冲器设计 126
4.2.2 输入缓冲器的非线性 130
4.2.3 设计折中小结 136
4.3 互补双极性采样保持器 137
4.4 时钟抖动 138
4.5 结论 142
思考题 143
参考文献 143
第5章 比较器 145
5.1 比较器功能 145
5.2 比较器结构 147
5.2.1 开环比较器 147
5.2.2 迟滞比较器 151
5.2.3 再生比较器 152
5.3 亚稳态 155
5.4 开关电容比较器 156
5.4.1 电平转换输入网络 157
5.4.2 电荷重分配输入网络 159
5.5 失调消除 160
5.6 负载与回踢 161
5.7 比较器示例 161
5.8 结论 165
思考题 165
参考文献 167
第6章 放大器 168
6.1 开关电容电路 168
6.1.1 开关电容电阻 168
6.1.2 开关电容有源滤波器 170
6.1.3 开关电容放大器 173
6.1.4 开关电容放大器的非理想性 175
6.2 放大器设计 178
6.2.1 直流增益 178
6.2.2 摆率 178
6.2.3 小信号建立 178
6.2.4 共模抑制比和电源抑制比 184
6.2.5 噪声 184
6.3 运算放大器 187
6.3.1 差分对 187
6.3.2 密勒效应 189
6.3.3 共源共栅放大器 190
6.3.4 有源共源共栅放大器 193
6.3.5 两级放大器 195
6.3.6 共模反馈 201
6.4 结论 203
思考题 203
参考文献 204
第7章 流水线ADC 206
7.1 架构 206
7.2 开关电容MDAC 215
7.3 性能 219
7.3.1 采样非线性 219
7.3.2 量化非线性 219
7.3.3 噪声与抖动 224
7.4 流水线ADC设计注意事项 228
7.4.1 采样电容值和输入满幅 228
7.4.2 每级的位数 229
7.4.3 缩放系数 231
7.4.4 输入缓冲器 232
7.5 精度和速度的挑战 233
7.6 结论 233
思考题 233
参考文献 235
第8章 时间交织转换器 237
8.1 时间交织 237
8.2 失调失配 243
8.2.1 特殊情况 245
8.2.2 直观的观点 246
8.3 增益失配 247
8.3.1 特殊情况 248
8.3.2 直观的观点 250
8.4 时序失配 251
8.4.1 特殊情况 252
8.4.2 直观的观点 253
8.5 带宽失配 254
8.6 失配总结 256
8.7 乒乓特殊情况 257
8.7.1 M=2，仅增益失配 257
8.7.2 M=2，仅相位失配 258
8.8 非线性失配 258
8.9 性能提升 259
8.9.1 提升匹配 260
8.9.2 使用一个全速采样保持 261
8.9.3 校准 261
8.10 结论 264
思考题 264
参考文献 265
第9章 数字辅助转换器 267
9.1 流水线ADC非线性校准 267
9.1.1 工厂与前台校准 269
9.1.2 基于相关性的校准 273
9.1.3 求和节点的校准 279
9.1.4 参考ADC校准 286
9.1.5 裂式ADC校准 286
9.1.6 建立误差校准 287
9.1.7 记忆校准 289
9.1.8 回踢校准 290
9.1.9 余量放大器非线性 293
9.1.10 耦合校准 300
9.2 扰动 300
9.3 快闪子ADC校准 305
9.4 交织ADC中的失配校准 306
9.4.1 失调失配校准 306
9.4.2 增益失配校准 307
9.4.3 时序失配校准 309
9.4.4 其他失配 313
9.4.5 随机化 313
9.5 结论 314
思考题 314
参考文献 315
第10章 发展与趋势 319
10.1 性能演变 319
10.2 工艺演变 323
10.3 未来趋势 324
参考文献 325
中英文术语对照 327